電路與模擬電子技術(shù)-1功率放大

功率放大電路功率放大電路：以輸出信號(hào)功率為主要目的的放大級(jí)。輸出幅度較大，功率放大電路必須工作在大信號(hào)條件；如何盡量減小輸出信號(hào)的失真是首先要考慮的問題。輸出信號(hào)功率的能量來源于直流電源，應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)換的效率。半導(dǎo)體器件在大信號(hào)條件下運(yùn)用時(shí)，電路中應(yīng)考慮器件的過熱、過流、過壓、散熱等問題，并要有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。功率放大電路從功率變換的角度

放大電路如何有效地將直流供電電源的能量轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需要的信號(hào)功率。低頻功率放大電路。功率放大電路的分類功率放大電路的基本計(jì)算集成功率放大器功率放大電路的分類按靜態(tài)工作點(diǎn)的不同設(shè)置劃分：甲類功率放大電路、乙類功率放大電路、甲乙類功率放大電路。甲類放大：導(dǎo)通角為θ=2π。（三組態(tài)電路、差分電路）乙類放大：導(dǎo)通角為θ=π。（互補(bǔ)對(duì)稱共集電路、交越失真）甲乙類放大：導(dǎo)通角介于π和2π之間。（給管子設(shè)置微小的靜態(tài)工作電流，使其在小的輸入信號(hào)下也能進(jìn)入放大區(qū)）甲類單管功率放大電路右圖所示共射極甲類功率放大電路。（圖解分析如右下圖所示）靜態(tài)工作點(diǎn)位于交流負(fù)載線中點(diǎn)。LCQCEQ2

2R

VCC

VCC，

IVvCE

VCEQ

Vcem

sin

tC

CQi

I

Icmsin

tCC

CQCC

CE電源提供的功率：P

12π

02πV

i

d(

t)

V

I2o

o

cm

L2πo負(fù)載上獲得的功率：P

1

2π

021v

i

d(

t)

I

R甲類單管功率放大電路所以，該類電路的理想效率為：

25%（效率很低）原因？改進(jìn)？CC

CQCC

CE電源提供的功率：P

12π

02πV

i

d(

t)

V

I2o

o

cm

L2πo負(fù)載上獲得的功率：P

1

2π

021v

i

d(

t)

I

RLcmcem由圖：V2

2R

VCC

VCC，

I乙類雙管功率放大電路（變壓器耦合推挽式）右圖所示變壓器耦合推挽功率放大電路。Tr1

：輸入變壓器；Tr2

：輸出變壓器；T1、T2

：同極型對(duì)稱推挽管；Rb1、Rb2

：偏置電阻（克服交越失真）突出優(yōu)點(diǎn)：通過改變變壓器的變比，能找到一個(gè)最佳的等效負(fù)載；（此時(shí)輸出功率最大，且不失真）在不提高電源電壓的條件下，可使輸出電壓幅度超過電源電壓。乙類雙管功率放大電路（變壓器耦合推挽式）右圖所示變壓器耦合推挽功率放大電路。vi

正半周時(shí)：T1

導(dǎo)通、T2

截止；負(fù)載RL

獲得正半周輸出信號(hào)。vi

負(fù)半周時(shí)：T1

截止、T2

導(dǎo)通；負(fù)載RL

獲得負(fù)半周輸出信號(hào)。乙類雙管功率放大電路（互補(bǔ)對(duì)稱式OTL）右圖所示單電源供電的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。（OTL：Output

Transformerless）vi

＝0（靜態(tài)）時(shí)：T1

、T2

管截止；vi

正半周時(shí)：T1

導(dǎo)通、T2

截止；+VCC→T1

→C

→RL→GND（電容充電）。vi

負(fù)半周時(shí)：T1

截止、T2

導(dǎo)通；C

→T2→GND

→RL（電容作為電源，放電）2

2CQ

OQCCOv

V，（電容）V

VCC

，V

0

vi2VCCvI

乙類雙管功率放大電路（互補(bǔ)對(duì)稱式OCL）右圖所示雙電源供電的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。（OCL：Output

Capacitorless）vi

＝0（靜態(tài)）時(shí)：T1

、T2

管截止；VOQ

0vi

正半周時(shí)：T1

導(dǎo)通、T2

截止；+VCC→T1

→RL→GNDvi

負(fù)半周時(shí)：T1

截止、T2

導(dǎo)通；GND

→RL→T2→-VCC功率放大電路的基本計(jì)算功率放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)：輸出功率Po

（最大輸出功率Pom）；輸出效率η

（最大效率ηm）；管耗PT

。0x

x2πv

i

d(

t)x2π功率的基本計(jì)算公式：P

1

輸出功率Po輸出功率Po：負(fù)載上所獲得的功率。定義

Vim

sin

tRL則輸出為：vo

Vom

sin

t

，io

Vom

sin

tL

Vom

2o2π0o

o輸出功率：P

1

2π

v

i

d(

t)2R輸出效率ηπ2π

12π12π0CC

oV i

d(

t)

π

VCCiod(

t)EPPE

4

VCC

Vom

2VCCVomπ

RL輸出效率：

Po0LomCCπ0CC

oπ

1

2π

2[Rd(

t)V

πV

sin

tV i

d(

t)]

22RL輸出效率η：輸出功率Po

與電源提供的平均功率PE

之比。電源提供的平均功率：VPo

om最大輸出功率Pom

、最大效率ηm右下圖所示互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的工作波形。CCom輸出功率達(dá)到最大，此時(shí)輸出效率也最大。若考慮功放管的飽和壓降，則Vom

=VCC-VCES

；實(shí)際效率將小于78.5%。（一般為60～70%）

78.5%PPE

42RL，

m

om

V

2Pom

CC

Vom

4

VCC22RLVPo

om

LEπ

R當(dāng)輸出信號(hào)幅度達(dá)到理想的最大值

V

≈V

時(shí)，P

2VCCVom管耗PT管耗PT

：T1、T2

兩管的消耗功率。（廣義：除輸出功率外的所有功率）最大管耗PTM

（對(duì)上式求導(dǎo)）：L

LPT

PE

Po

2Rπ

R2VCCVom

Vom

22V

V

CC

omπ

RLPE

CCom當(dāng)V

2VCC

0.64

V

時(shí)π2VCC

2π2

RLom

4

P

0.4

Pomπ2PTM

PT2M每個(gè)功放管的最大功耗為：PT1M2

1

PTM

0.2

Pom22RLVPo

om2RL【例5.1-1】右圖所示OCL電路。已知：VCC

=15V，輸出電壓幅度Vom

=10V，RL

=8

。求：輸出功率、效率和管耗。V

2解：輸出功率：Po

om

6.25

WLπ

REP

2VCCVom

11.94

WPE

11.94效率：

Po

6.25

52.3%21

2管耗：PT

PT

1

(PE

Po

)

2.85

W2RL【例5.1-2】右圖所示OTL

電路。已知：VCC

=30V，輸出電壓幅度Vom

=10V，RL

=8

。求：輸出功率、效率和管耗。V

2解：輸出功率：Po

om

6.25

WLπ

REP

VCCVom

11.94

WPE

11.94效率：

Po

6.25

52.3%21

2管耗：PT

PT

1

(PE

Po

)

2.85

W【例5.2】右下圖所示OTL

電路。已知：T1、T2

特性完全對(duì)稱，vi

為正弦，VCC

=10V，RL

=16Ω。求：（1）靜態(tài)時(shí)，電容C2

兩端的電壓應(yīng)該是多少？調(diào)整哪個(gè)電阻能滿足這一要求?（2）動(dòng)態(tài)時(shí)，若輸出電壓波形出現(xiàn)交越失真，應(yīng)如何調(diào)整?解：（1）電壓為5V，調(diào)整R1、R3

。（2）應(yīng)增加R2

。（三極管基極間電壓增大，有較大的靜態(tài)電流）右下圖所示OTL

電路。已知：T1、T2

特性完全對(duì)稱，vi

為正弦，VCC

=10V，RL

=16Ω。（3）若R1

=R3

=1.2kΩ，β=50，|VBE|=0.7V，Pcm

=200mW

；求：當(dāng)D1、D2、R2

中任一開路時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)什么情況?解：（3）當(dāng)D1、D2、R2

中任一開路時(shí)：PC

VCE

IC1

895

mW

Pcm所以，功率管將會(huì)損壞。

179

mA1

VCC

VBE

VC2QC1I

IB1R功率管的選取功放管的功耗：PCM＞0.2Pomax功放管的耐壓：V

(BR)CEO

＞2VCC功放管允許的最大集電極電流：ICM

＞VCC/RL功率管的應(yīng)用功率管應(yīng)該嚴(yán)格配對(duì)：大工作電流時(shí)的β

一致；在大電流下飽和壓降小，且一致。功率管的散熱問題：大功率場(chǎng)合下，必須給功率管裝散熱板，或進(jìn)行風(fēng)冷和水冷。功率管在大電流、高電壓下工作，應(yīng)對(duì)其采取過壓和過流保護(hù)措施。當(dāng)電源質(zhì)量不高或內(nèi)阻較大時(shí)，電源內(nèi)阻上的壓降可能會(huì)引起功放電路的低頻自激；消除低頻自激方法是

置放大電路的供電回路中加去耦濾波電容。集成功率放大器集成運(yùn)放的輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱式輸出。受散熱、電流容量、耐壓等因素制約，輸出電流一般為幾十毫安，電壓極值一般為電源電壓的85%左右。需要考慮集成運(yùn)放的擴(kuò)流、擴(kuò)壓。集成運(yùn)放的擴(kuò)流在集成運(yùn)放的輸出端再加一級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱功放。利用T1、T2

管的電流放大作用，達(dá)到擴(kuò)大輸出電流的目的。集成運(yùn)放的擴(kuò)流（實(shí)用電路）功率放大電路（電壓放大級(jí)+功率放大級(jí)）。電壓串聯(lián)負(fù)反饋，閉環(huán)增益：AvfR1

1

R2集成運(yùn)放的擴(kuò)壓靜態(tài)（vi

=0）：vo

0